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空间核反应堆异常再入高温高速撞击模拟试验中热响应特性研究

周旭 胡宇鹏 王易君 万堃 邓志方 朱长春 胡绍全

周旭, 胡宇鹏, 王易君, 万堃, 邓志方, 朱长春, 胡绍全. 空间核反应堆异常再入高温高速撞击模拟试验中热响应特性研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(6): 47-54. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0047
引用本文: 周旭, 胡宇鹏, 王易君, 万堃, 邓志方, 朱长春, 胡绍全. 空间核反应堆异常再入高温高速撞击模拟试验中热响应特性研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(6): 47-54. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0047
Zhou Xu, Hu Yupeng, Wang Yijun, Wan Kun, Deng Zhifang, Zhu Changchun, Hu Shaoquan. Research on Thermal Response Characteristics of Space Nuclear Power in High-Temperature and High-Velocity Impact Experiment under Accidental Reentry[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(6): 47-54. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0047
Citation: Zhou Xu, Hu Yupeng, Wang Yijun, Wan Kun, Deng Zhifang, Zhu Changchun, Hu Shaoquan. Research on Thermal Response Characteristics of Space Nuclear Power in High-Temperature and High-Velocity Impact Experiment under Accidental Reentry[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(6): 47-54. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0047

空间核反应堆异常再入高温高速撞击模拟试验中热响应特性研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0047
基金项目: 国防科工局民用航天技术预先研究项目(D020216);国家自然科学基金项目(51706213)
详细信息
    作者简介:

    周 旭(1995—),男,工程师,现主要从事装备热安全方面的研究,E-mail: sa170130@mail.ustc.edu.cn

  • 中图分类号: TK121;TL334

Research on Thermal Response Characteristics of Space Nuclear Power in High-Temperature and High-Velocity Impact Experiment under Accidental Reentry

  • 摘要: 高温高速撞击模拟试验是考核空间核反应堆异常再入大气层撞击地面事故安全性的重要项目。本文针对试验热加载和高速飞行阶段,建立了耦合传导、对流和辐射的有限体积模型,数值研究了试验中空间核反应堆堆芯模拟件的热响应特性,分析了加载温度变化速率和径高比的影响。结果表明,热加载阶段,堆芯模拟件最高温度和最低温度分别位于侧面及底面的交界处和模拟件中心;达到热平衡的时间除受加载温度变化速率的影响外还取决于模拟件径高比。高速飞行阶段,堆芯模拟件最高温度和最低温度所在位置与热加载阶段相反,且最低温度随着径高比和飞行时间的增加而减少。研究成果能够支撑高温高速撞击模拟试验系统研制及试验设计。

     

  • 图  1  空间核反应堆异常再入高温高速撞击模拟试验系统示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of High-temperature and High-velocity Impact Simulation Test System for Space Nuclear Power Reactor in Accidental Reentry

    图  2  堆芯模拟件截面温度随时间分布

    r—堆芯模拟件径向长度;L—堆芯模拟件轴向长度

    Figure  2.  Temperature Distribution of the Reactor Core Simulator Cross-section versus Time

    图  3  堆芯模拟件中心线温度演化规律

    Figure  3.  Temperature Evolution of Reactor Core Simulator Centerline

    图  4  不同升温速率时堆芯模拟件最高温度和最低温度随时间的变化

    Figure  4.  Variation of Maximum and Minimum Temperatures of Reactor Core Simulator with Time under Different Loading Temperature Rates

    图  5  不同升温速率时1200 K温度等值线随时间的变化规律

    Figure  5.  Variation of 1200 K Temperature Contour with Time under Different Loading Temperature Rates

    图  6  不同径高比时堆芯模拟件最高温度和最低温度随时间的变化规律

    Figure  6.  Variation of Maximum and Minimum Temperatures of Reactor Core Simulator with Tme under Different Diameter-Height Ratios

    图  7  不同径高比时1200 K温度等值线随时间的变化规律

    Figure  7.  Variation of 1200 K Temperature Contour with Time under Different Diameter-Height Ratios

    图  8  高速飞行2 s时堆芯模拟件周围的温度场(上图)和速度场(下图)

    Figure  8.  Temperature Field (above) and Velocity Field (below) around the Reactor Core Simulator at t=2 s

    图  9  高速飞行2 s时堆芯模拟件表面温度场

    Figure  9.  Surface Temperature Field of Reactor Core Simulator at t=2 s

    图  10  堆芯模拟件最低温度随飞行时间变化规律

    Figure  10.  Variation of Minimum Temperature of Reactor Core Simulator with Time

    表  1  计算参数设置

    Table  1.   Parameter Setting in the Simulation

    参数 热加载阶段 高速飞行阶段
    升温速率k/(K·h−1) 150/200/250
    初始温度$ {T}_{0} $/K 300 1473
    目标温度$ {T}_{\mathrm{f}\mathrm{i}\mathrm{n}} $/K 1473 >1373
    径高比$ \varPhi /H $ 0.426/0.833/1.439 0.426/0.833/1.439
    飞行速度
    (或空气速度)$ {U}_{0} $/(m·s−1)
    90
    空气温度$ {T}_{\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{r}} $/K 300
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    表  2  堆芯模拟件高速飞行阶段计算结果

    Table  2.   Numerical Results for the High-velocity Flight Phase of Reactor Core Simulator

    算例 回流区长度/m $ {C}_{\mathrm{d}} $ f/Hz St
    $ \varPhi /H $=0.426 0.810 0.837 11.0 0.049
    $ \varPhi /H $=0.833 0.840 0.855 9.8 0.054
    $ \varPhi /H $=1.439 1.425 1.030 8.8 0.059
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-28
  • 修回日期:  2024-07-26
  • 刊出日期:  2024-12-17

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